Воздушные выключатели: принцип работы, преимущества и типы

Воздушный выключатель использует сжатый воздух или газ в качестве среды для прерывания дуги. Сжатый воздух хранится в резервуаре, и при необходимости выпускается через сопло, создавая струю высокой скорости. Эта струя играет ключевую роль в затухании дуги, образующейся при прерывании электрического тока выключателем.

Воздушные выключатели широко используются для внутренних применений в диапазоне среднего и высокого напряжения с умеренной разрывной способностью. Обычно они подходят для напряжений до 15 кВ и разрывной способности до 2500 МВА. Кроме того, их теперь используют в высоковольтных открытых распределительных устройствах для линий 220 кВ.

Хотя различные газы, такие как углекислый газ, азот, фреон или водород, могут потенциально использоваться в качестве среды для прерывания дуги, сжатый воздух стал предпочтительным выбором для газовых выключателей. Есть несколько веских причин для этого:

• Азот: Его способности к прерыванию цепи сопоставимы со сжатым воздухом, не предоставляя значительного преимущества в плане производительности.

• Углекислый газ: Одним из его основных недостатков является сложность контроля его потока. Он имеет тенденцию замерзать на клапанах и других узких проходах, что может нарушить нормальную работу выключателя.

• Фреон: Хотя он обладает высокой диэлектрической прочностью и отличными свойствами по гашению дуги, его стоимость очень высока. Кроме того, при воздействии дуги он разлагается на элементы, образующие кислоту, что представляет риск для оборудования и окружающей среды.

Воздушные выключатели предлагают несколько желательных характеристик:

• Высокоскоростная работа: В больших взаимосвязанных электрических сетях поддержание стабильности системы имеет первостепенное значение. Воздушные выключатели отлично справляются с этим благодаря крайне короткому интервалу времени между выдачей импульса и разъединением контактов. Быстрая реакция помогает минимизировать влияние отказов на общую электрическую сеть.

• Подходит для частых операций: В отличие от масляных выключателей, которые быстро карбонизируются и деградируют при повторном переключении, воздушные выключатели могут выдерживать частые операции. Отсутствие масла также означает минимальный износ поверхностей контактов, проводящих ток. Однако важно обеспечить непрерывное и достаточное снабжение сжатым воздухом, если ожидают частое переключение.

• Минимальное обслуживание: Возможность легко справляться с повторным переключением снижает требования к обслуживанию. Это не только экономит на затратах на обслуживание, но и повышает надежность и доступность выключателя.

• Устранение пожароопасности: Поскольку воздушные выключатели не содержат масла, риск пожара, связанный с масляными выключателями, полностью исключается, делая их более безопасным вариантом для электрических установок.

• Снижение размеров: Быстрый рост диэлектрической прочности в воздушных выключателях позволяет значительно уменьшить конечный зазор, необходимый для затухания дуги. Этот компактный дизайн приводит к меньшим размерам устройств, которые можно более легко интегрировать в электрические системы и занимают меньше места.

Принцип гашения дуги

Воздушный выключатель полагается на дополнительную систему сжатого воздуха для подачи воздуха в приемник. Когда выключатель нужно открыть, сжатый воздух направляется в камеру гашения дуги. Этот воздух высокого давления оказывает силу на движущиеся контакты, вызывая их разделение. По мере отделения контактов, струя воздуха сдувает ионизированный газ, образованный дугой, эффективно гася ее.

Дуга обычно гасится в течение одного или нескольких циклов. После гашения дуги камера заполняется воздухом высокого давления, что помогает предотвратить повторное возгорание. Воздушные выключатели относятся к категории выключателей с внешней энергией гашения. Энергия, используемая для гашения дуги, получается от воздуха высокого давления, независимо от прерываемого тока.

Типы воздушных выключателей

Все воздушные выключатели работают на принципе разделения контактов в потоке воздуха, создающем дугу, при открытии клапана. Образующаяся дуга быстро центрируется через сопло, где она поддерживается на постоянной длине и подвергается максимальному воздействию потока воздуха. На основе направления струи сжатого воздуха вокруг контактов, воздушные выключатели можно классифицировать на три типа:

• Аксиальный воздушный выключатель: В этом типе поток воздуха параллелен дуге, протекая вдоль ее длины. Аксиальные воздушные выключатели могут быть дополнительно классифицированы как одноструйные или двухструйные. Некоторые двухструйные конструкции, где струя воздуха втекает радиально в сопло или пространство между контактами, иногда называют радиальными воздушными выключателями, несмотря на основной аксиальный принцип конструкции.

Основная структура и работа воздушного выключателя показаны на приведенной выше схеме. В нормальных условиях эксплуатации неподвижные и подвижные контакты находятся в закрытом состоянии, удерживаемые силой, создаваемой пружинами. Резервуар сжатого воздуха соединен с камерой дугогашения через воздушный клапан. Этот клапан активируется тройным импульсным механизмом, который запускает его открытие при возникновении неисправности или необходимости прерывания тока.

При возникновении неисправности в электрической системе импульс отключения служит катализатором действия. Этот импульс активирует воздушный клапан, соединяющий резервуар сжатого воздуха с камерой дугогашения, вызывая его открытие. Когда воздух высокого давления из резервуара врывается в камеру дугогашения, он оказывает значительное давление на подвижные контакты. Как только давление воздуха превышает сопротивление, создаваемое силой пружины, которая обычно удерживает контакты в закрытом состоянии, подвижные контакты начинают отделяться, инициируя процесс прерывания электрического тока и гашения дуги.

Когда контакты отделяются под давлением высокоскоростного воздуха, между ними формируется дуга. Воздух, протекающий с высокой скоростью вдоль длины дуги, эффективно удаляет тепло с периферии дуги. По мере приближения тока к нулю, это непрерывное удаление тепла приводит к значительному уменьшению диаметра дуги. В момент, когда ток достигает нуля, дуга успешно прерывается. Затем свежий воздух, проходящий через сопло, заполняет пространство между контактами. Этот поток свежего воздуха удаляет горячие ионизированные газы, находящиеся в пространстве между контактами, быстро восстанавливая диэлектрическую прочность между контактами и предотвращая возможное повторное возгорание дуги.

Перекрестный воздушный выключатель

В перекрестном воздушном выключателе механизм гашения дуги работает по-другому. Здесь струя воздуха направлена перпендикулярно дуге. На следующем рисунке представлена схематическая иллюстрация принципа перекрестного гашения, используемого в этом типе выключателя. Когда движущееся контактное плечо приводится в действие в ограниченном пространстве, образуется дуга. Немедленно боковая струя воздуха направляет эту дугу к разделительным пластинам. Разделительные пластины разбивают дугу на меньшие сегменты, рассеивая ее энергию. Этот процесс эффективно ослабляет дугу до такой степени, что после прохождения тока через ноль, она не имеет энергии для повторного возгорания, обеспечивая успешное прерывание электрической цепи.

Резистивное переключение и недостатки воздушных выключателей

Резистивное переключение

Обычно резистивное переключение не является абсолютной необходимостью в воздушных выключателях. При гашении дуги она сама по себе создает некоторое сопротивление, которое помогает регулировать переходное напряжение переключения. Однако, если дополнительное сопротивление считается полезным для определенных применений, его можно добавить, подключив резистор к секции разделителя дуги. Это добавленное сопротивление предоставляет дополнительный уровень контроля над переходным напряжением, улучшая производительность выключателя в определенных условиях.

Недостатки воздушных выключателей

Одним из основных ограничений воздушных выключателей является строгое требование к непрерывному снабжению сжатым воздухом при точном давлении. Для обеспечения этого требуется крупномасштабная установка, обычно включающая два или более компрессора. Поддержание этой сложной компрессорной установки — это не малая задача; она требует регулярного обслуживания для поддержания компрессоров в рабочем состоянии и решения любых возникающих механических проблем.

Кроме того, утечки воздуха в трубопроводных соединениях — это постоянная проблема. Даже небольшие утечки могут постепенно истощать давление воздуха, нарушая работу выключателя. Обнаружение и устранение этих утечек может быть трудоемким и времязатратным. Эти проблемы обслуживания, вместе с необходимостью сложной системы подачи воздуха, приводят к увеличению эксплуатационных расходов.

По сравнению с масляными или другими типами воздушных выключателей, воздушные выключатели особенно дороги для применения в низковольтных системах. Обширная инфраструктура, необходимая для генерации сжатого воздуха, и связанные с ней расходы на обслуживание делают их менее экономически эффективными в ситуациях, где задействованы низкие напряжения, ограничивая их широкое использование в таких контекстах.